通信偵察系統(tǒng)總體設計技術

潘寶鳳

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

通信偵察在電子信息戰(zhàn)中起著舉足輕重的作用,目前已經研制出許多小型或大型的通信偵察系統(tǒng),廣泛應用于陸基、艦船、飛機、無人機、衛(wèi)星平臺等。通信偵察的主要任務為電磁頻譜監(jiān)測、敵方通信信號技術參數和內涵情報的獲取、對輻射源信號的測向、定位等。

隨著民用和軍用通信技術的高速發(fā)展,通信頻段內的信號變得日益密集,民用、軍用、不同功率、不同帶寬、不同調制制式的通信信號交織在一起,使得電磁環(huán)境變得更加復雜。另外,跳頻、擴頻和跳擴結合等新體制通信信號的應用,使得信號的搜索、截獲和分析處理變得更加困難。鑒于上述原因,人們對通信偵察系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。本文將介紹通信偵察系統(tǒng)的總體設計,并對關鍵技術進行討論。

2 通信偵察系統(tǒng)的組成及設計

2.1 通信偵察系統(tǒng)的組成

通信偵察系統(tǒng)主要由偵收天線、前置低噪聲放大器、射頻轉接網絡、調諧接收機、中頻轉接網絡、監(jiān)聽接收機、信號處理終端、數據存儲器等組成,其組成原理框圖如圖1所示。

通信偵察系統(tǒng)的主要功能為:

(1)具有通信信號頻譜的全頻段或分頻段顯示功能,能完成對目標信號的實時監(jiān)視、自動搜索;

(2)能夠依靠人工和自動的手段實現對通信信號調制體制識別,并具有對信號的調制參數(包括調制系數、信號帶寬、載頻、碼速率等)的測量功能,建立輻射源目標特征庫;

(3)能夠根據信號的識別結果,實時或離線完成信號的解調,獲取情報內涵信息;

(4)能夠對通信信號進行寬帶或窄帶測向,具有交匯定位功能和目標態(tài)勢顯示功能。

圖1 通信偵察系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Block diagram of communication reconnaissance system

2.2 通信偵察系統(tǒng)設計

2.2.1 偵收天線

根據偵收信號的頻段和搭載平臺的不同,偵收天線的形式也各不相同,一般要求具有全方位覆蓋能力,具有高的天線增益,能滿足平臺安裝適應性要求。對于測向天線,一般還要求天線的幅相一致性較好,天線間的互耦小,安裝無遮擋等。

陸基短波通信偵察系統(tǒng)通常采用大型的陣列天線來完成對短波通信信號的偵察和測向,船載短波通信信號的偵收天線形式主要為倒L天線和鞭狀天線,后者較前者有更高的天線增益,但當信號電磁環(huán)境復雜、有強干擾信號時,容易造成射頻前端飽和,產生虛假信號;倒L天線對甚長波信號的偵收效果較好,且能偵收水平極化的信號。

超短波通信信號偵察系統(tǒng)的天線形式較多,目前常用的有雙錐天線、盤錐天線、刀形天線、有源單極子天線、對數周期天線等,前4種天線均為水平全向天線,可實現對信號的全方位偵收,適用于信號普查和電磁頻譜監(jiān)測。對數周期天線為方位天線,用于對遠距離、低功率信號的高靈敏度偵收。為了確保對微弱信號的偵收效果,常常采用兩副或多副天線組陣,通過波束合成方法提高天線的增益,構成高增益天線,其增益可達10～20dBi。另外,為了保證對信號的全方位高增益?zhèn)墒?通常使用帶旋轉平臺的方位天線,也可將多副方位天線進行布陣,使得每副天線對應不同方位,實現對信號的360°偵收。

對于短波、超短波信號的測向通常采用天線陣的形式。實際工程項目中,通常采用多副天線來滿足偵察系統(tǒng)的要求。

2.2.2 射頻前端

射頻前端通常包括前置低噪聲放大器、射頻轉接網絡和中頻轉接網絡,其性能設計的好壞將影響后端信號的接收質量。

(1)前置低噪聲放大器

前置低噪聲放大器是整個接收通道最關鍵的模塊,其主要功能是在引入盡量低的噪聲的前提下,為后面各級提供足夠的增益。前置低噪聲放大器組件通常要求緊挨著天線安裝,以減少信號傳輸帶來的損耗,其指標包括抗燒毀功率、工作頻率、增益、噪聲系數、1 dB壓縮點等。

由于前置低噪聲放大器通常為寬開的,當偵收頻段內存在大功率信號時,容易引起整個接收鏈路的飽和,噪聲基底抬高,偵收的弱信號淹沒在噪聲里,同時產生虛假信號。在實際使用時,通常設置一個旁路開關,當偵收電磁環(huán)境中存在大功率信號時,可將前置低噪聲放大器旁路,以保證對監(jiān)測頻段內所有信號的正常接收。另外,需合理設計放大器的增益,盡量提高其1 dB壓縮點;也可在保證整個系統(tǒng)噪聲系數的前提下,采取在放大器前端加陷波器的方式,將已知大功率干擾頻段的信號抑制,如移動通信頻段的信號。

(2)轉接網絡

射頻轉接網絡將各副天線接收下來的射頻信號進行放大、功分、轉接,根據偵測終端的需求,將其指定天線的信號送到后端對應的接收機單元。通過射頻轉接網絡可實現天線資源的共享,后端偵測設備可根據需要靈活選擇天線。

中頻轉接網絡將調諧接收機輸出的中頻信號進行放大、功分、轉接,將接收到的中頻信號送到要求對其進行偵收處理的終端處理設備,可以實現接收機資源的共享和靈活分配應用。

轉接網絡主要由功分器、選擇開關、放大器等組成。轉接網絡的主要技術指標包括輸入/輸出路數、工作頻率、增益、1 dB壓縮點、開關隔離度等,設計時需重點關注隔離度指標,否則會引起不同信道間信號的串擾,影響信號的偵收質量。

(3)接收機

監(jiān)聽接收機通常采用窄帶超外差體制,能對接收到的AM、FM、SSB等常規(guī)模擬通信信號進行解調,輸出音頻信號,進行監(jiān)聽。

調諧接收機將接收到的信號進行濾波、放大和變頻,輸出中頻信號到中頻轉接矩陣。目前工程中常用的調諧接收機也為超外差式接收機,具有寬帶和窄帶接收功能。短波寬帶最大偵收瞬時帶寬一般設計為1MHz或500kHz,超短波為12 MHz、20MHz或60MHz。接收機帶寬越寬,搜索速度越快,但鄰道干擾大,信號偵收靈敏度低,且信道容易飽和,使得信號失真或發(fā)生交調現象,噪聲基底抬高,產生虛假信號,接收信噪比下降。

無虛假響應動態(tài)范圍是接收機的一個重要性能指標,常用雙音信號來測試,稱為雙音動態(tài)范圍。它表征了接收機在大的干擾信號存在下,對小信號的接收能力。要設計雙音動態(tài)范圍大的接收機,必須合理分配各級增益,鏈路余量適宜、各級均衡,并著重考慮末級、末前級放大器的三階截點及增益大小[1]。

另外,接收機設計時前端需加預選濾波器,其作用是減小射頻輸入帶寬,盡可能地抑制不需要頻譜的信號,減少組合干擾。

2.2.3 信號處理終端

信號處理終端是通信偵察系統(tǒng)的核心處理單元,主要對前端接收設備進行監(jiān)控,完成電磁信號頻譜顯示及信號搜索、信號的調制分析、參數測量、信號的解調、數據采集存儲、編碼分析等功能。通常要求采用模塊化、標準化設計,使用統(tǒng)一的硬件平臺通過加載不同的軟件實現不同的處理功能,這樣可提高設備的可靠性,增加系統(tǒng)的可擴展性和靈活性,以滿足不同任務的需求。

信號處理終端一般采用多個信號處理板加計算機的硬件結構。信號處理板主要由FPGA、DSP、存儲芯片、計算機總線接口芯片、網絡通信芯片等組成。目前最常用是CPCI總線型計算機。隨著通信偵察技術的發(fā)展和小型化、一體化設計需求的增強,人們對信號處理能力和信號的傳輸速度要求越來越高,CPCI總線傳輸速度已經成了制約信號處理終端發(fā)展的瓶頸。近年來,許多新的高速數據總線相繼推出,如PCI Express 2.0和PXI-E高速數據總線,兩種數據總線應用設計技術已日趨成熟,已有一些成熟產品,相信不久的將來會在工程中得到廣泛的應用[2]。

3 通信信號偵察的關鍵技術

3.1 通信信號的快速搜索、截獲

通信偵察作為非協(xié)同方,我們事先不是總能知道所感興趣信號的位置,而且也不知道這些信號何時出現,工作在哪個頻點或頻段,它們混雜在幾十個、上百個無用信號或干擾信號中,有些還可能淹沒在噪聲里,因此,對信號的搜索、截獲是通信偵察要解決的首要任務。

通信信號的搜索、截獲處理流程如圖2所示。

圖2 通信信號的搜索、截獲處理流程Fig.2 Flow chart for search and intercept of communication signal

理想的信號搜索需要極高的搜索速度和高的頻域分辨率,搜索速度越快,就越有可能捕獲到持續(xù)時間較短的信號;高的頻域分辨率更能看清頻譜的細節(jié),發(fā)現信號,特別是那些在大信號位置附近或接近基底噪聲的低電平信號。

影響信號搜索速度的系統(tǒng)因素有很多,包括天線的波束寬度、接收機的瞬時帶寬和頻率切換時間、頻譜分析的處理時間、信號檢測的準則及判決時間等。采用寬波束天線進行寬帶接收、多處理器并行處理和快速、有效的信號檢測算法等均可提高信號的搜索速度。實際應用中,還將多個寬開信道聯(lián)合,采用頻率拼接的方案來實現信號的超寬帶步進搜索,進一步提高信號的搜索速度,如由5個12 MHz的接收信道拼接成60MHz的瞬時掃描帶寬。

影響信號頻率分辨率的因素主要包括信號的持續(xù)時間、FFT的點數、采樣速率。采樣速率又與信號的分析帶寬即接收機的瞬時帶寬有關。要獲取高的頻率分辨率,要求低的采樣速率、足夠大的FFT點數,此時要耗費較長的信號處理時間,從而降低信號搜索速度。因此,系統(tǒng)設計時兩者必須綜合考慮。

信號檢測和判決是最終發(fā)現信號,完成信號搜索、截獲的必要手段。通常采用以下技術手段來實現信號的檢測。

(1)固定門限檢測

在全景譜上人工設置一信號幅度門限,當信號超過該門限時,即停止掃描或將該信號的頻率記錄在信號列表或信號數據庫中,并可啟動自動存儲功能完成數據的存儲。

(2)進行頻率規(guī)劃和濾波

預先設置感興趣的頻段或組合頻率點,只對上述頻點或頻率范圍內出現的信號進行檢測,剔除非感興趣頻段或頻點的信號。

(3)自適應門限檢測

采用相關算法,根據噪聲譜線的分布特征估計出自適應檢測門限。

(4)其它檢測手段

對過門限信號的頻譜進行分析,根據信號的頻譜形狀、帶寬、峰值等來區(qū)分是否為感興趣的信號;對特殊的信號如Link16信號等,必須根據信號的組合特征進行綜合分析、識別,實現對信號的檢測和截獲。

文獻[3]針對寬帶數字式搜索接收機信號處理中的高分辨率譜估計和弱信號漏檢問題,提出一種有效的信號檢測方法。安捷倫公司近年推出的E3238S(黑鳥)信號監(jiān)測設備采用了電平判決、電磁環(huán)境背景判決、噪聲自適應判決、用戶定義判決4種能量判決方法和頻譜形狀相關判決、峰值判決、調制類型判決和模板判決4種信號判決方法,快速有效地實現了對空中瞬態(tài)信號的搜索、發(fā)現[4],其設計技術值得借鑒和學習。

3.2 通信信號的調制識別

通信信號的調制識別是近來信號處理領域的熱門課題,在這方面有大量的文獻資料,提出了很多新的思路和方法。文獻[5]提出了一種基于統(tǒng)計模式識別的通信信號識別方法;文獻[6]提出了一種基于高階累積量為特征參數,實現數字調制信號的分類識別方法;文獻[7]提出了一種基于譜特征的模擬與數字調制方式自動識別算法;文獻[8]針對π/4QPSK和8PSK信號調制體制識別,提出了一種基于相位差分信號星座圖的調制體制識別算法等。

目前,通信信號的調制識別技術已應用于實際工程,取得了一定的效果,但如何提高小樣本、低信噪比情況下通信信號的調制識別準確率,尋找計算量更小、適應復雜電磁環(huán)境、宜于工程化實現、識別性能更好的新識別特征參數和識別方法等,仍是今后很長一段時間內努力的方向。

3.3 通信信號的高精度測向、定位

3.3.1 通信信號的測向

無線電測向是利用無線電波在均勻媒質中傳播的勻速直線性,根據入射電波在接收天線中感應產生的電壓幅度、相位或頻率上的差別判定輻射源信號的來波方向。測向系統(tǒng)的主要指標包括頻率覆蓋范圍、測向準確度、靈敏度、抗擾度、時效性等。

實現測向的方法很多,目前工程應用較多的主要有比幅法[9,10]、相關干涉儀測向法[9]和時差測向法[11]。

對于比幅測向法,影響系統(tǒng)測向精度的因素包括系統(tǒng)噪聲誤差、通道幅度特性的不一致、波束軸角的指向偏差、量化誤差等,要提高系統(tǒng)的測向精度必須對系統(tǒng)進行精心設計,同時采取誤差修正手段和采用好的測向算法,以降低各種誤差因素對角度測量的影響。對于相關干涉儀測向法,由于采用相關處理技術,弱化了傳統(tǒng)干涉儀中天線單元之間、載體與天線單元之間等的不利影響。這些影響雖然還存在,還影響著波陣面畸變和相位分布的失真,但只要這些影響是穩(wěn)定的,由于這些失真已經存入樣本之中,通過相關處理,就在實際效果上弱化了其對測向精度的影響。對于時差測向法,在進行測向時,精確的時間差測量是影響測向精度的關鍵。測向基線越短,在相同測向精度條件下,對時間差測量的精度要求越高。時間差測量的方法主要有兩種[11]:時域測量方法和頻域測量方法。采用時域方法測量時差時,要獲得較高的時間測量精度,一是要采用自適應門限,二是需要保證足夠的系統(tǒng)處理帶寬,另外還要有高的信噪比。采用頻域方法測量時差時,信號帶寬越寬,信噪比越高,時差測量的精度就越高。該方法對弱信號的檢測處理能力高于時域時間差測量方法。

3.3.2 通信信號的定位

采用3個時間差偵測系統(tǒng)布站即可實現對目標的定位,即時差定位法。在平面情況下,一個TDOA確定一條雙曲線,兩個TDOA確定兩條雙曲線,這兩條雙曲線的交點即為輻射源的位置。由于測時精度的關系,現有的無源時差定位要達到1%的相對定位精度,一般都采用基線距離長達數十公里的長基線系統(tǒng)。近年來,人們開始關注短基線時差定位技術的研究。關于通信信號的定位,工程上還采用了交匯定位技術,通過將機動平臺如船、飛機在不同位置測得的同一目標的方位或分布在不同地理位置的測向站測得的同一目標的方位值進行交匯,獲取目標的位置坐標。多站交匯定位需解決的關鍵問題之一是輻射源信號的匹配問題,通常根據信號的截獲時間、工作頻率和調制方式等,對于Link11這種特殊的信號,可根據其PU碼來識別匹配。為了在復雜電磁環(huán)境下更好地完成信號的匹配,需要研究新的輻射源匹配技術,如根據信號的細微特征來完成信號的匹配。

另外,單站定位技術近年來也得到了發(fā)展和應用。

4 結束語

通信信號偵察系統(tǒng)的設計是一個綜合性的問題,需要從系統(tǒng)的應用平臺、應用環(huán)境、作戰(zhàn)性能要求等諸多方面進行綜合考慮。本文對通信信號偵察系統(tǒng)組成、設計及關鍵技術的論述,對通信偵察實際工程系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。另外,隨著通信技術的發(fā)展,通信偵察系統(tǒng)還需突破和解決通信網臺的分選與識別、時頻混疊信號的分離、同頻多信號測向和通信信號的“指紋”特征分析、輻射源目標識別等諸多關鍵技術。

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